一种面向月面环境的高强度零部件3d打印方法和装置
阅读说明：本技术 一种面向月面环境的高强度零部件3d打印方法和装置 (High-strength part 3D printing method and device for lunar environment ) 是由 朱海红 廖海龙 张宝鹏 杨旭 齐洋 王怡龙 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置,属于太空增材制造领域。方法包括：熔化月面探测器废弃的着陆器中的金属以形成金属液滴；采用喷射金属液滴的方式对月壤颗粒进行液滴粘接；通过层层堆叠的方式3D打印成形高强度零部件；月壤颗粒的引入可以通过铺粉式或送粉式。借助基于液滴成形的3D打印方式,将金属液滴与月壤进行粘接,形成高强度的金属基复合材料,其兼具了金属材料的韧性和月壤陶瓷材料的高模量高耐磨性等性能,在月面环境下获得高强度的零部件用于月面设施的建造,且使用的原材料均来自月面原位资源,适用于资源紧缺的月面制造以及未来月球基地的大型构件或承重结构的3D打印制造。(The invention discloses a 3D printing method and device for high-strength parts facing a lunar surface environment, and belongs to the field of space additive manufacturing. The method comprises the following steps: melting metal in the lander discarded by the lunar probe to form metal droplets; carrying out liquid drop bonding on lunar soil particles by adopting a mode of spraying metal liquid drops; 3D printing and forming the high-strength parts in a layer-by-layer stacking mode; the lunar soil particles can be introduced by a powder laying method or a powder feeding method. The method is characterized in that metal droplets and lunar soil are bonded by means of a 3D printing mode based on droplet forming to form a high-strength metal-matrix composite material, the composite material has the properties of toughness of metal materials, high modulus and high wear resistance of lunar soil ceramic materials and the like, high-strength parts are obtained in a lunar surface environment and are used for building lunar surface facilities, and used raw materials come from lunar surface in-situ resources, so that the composite material is suitable for lunar surface manufacturing in short supply of resources and 3D printing manufacturing of large members or bearing structures of future lunar bases.)
技术领域
本发明属于太空增材制造领域，更具体地，涉及一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置。
背景技术
近几年我国探月工程不断发展，月面基地及基础设施的建设已然提上日程。月面基地的建设过程中若全采用地面运输的方式无疑会增大成本，且对于将来扩大月面基地建设而言，地月运输原材料的方式显然是不够经济实惠的。月球资源丰富，包括大量的矿物资源、月壤、极区的挥发性物资、极区陨石坑内的水冰资源等，尤其是钛铁矿几乎遍布全月。如果月面原位资源得到一定程度的发展，就可以大大减少从地球携带的材料，可以大大推动星际探测的发展。另外，在月面基地的建设中局部区域对力学性能要求较高，如太阳能电池阵的承重支座、通讯设施的承重基座等。
目前多所研究机构已提出了采用月面原位资源进行月面基地建设，如月壤砖的烧结，激光选取熔化成形月壤试件等。这些方法充分利用了月面的资源。
专利CN110256039A公开了一种月壤混凝土及其制备方法，其采用特制的成分配比制备了月壤混凝土，通过3D打印的方式挤出成型制备大型月面设施，不足之处在于：制备的月壤混凝土结构强度一般只有几十兆帕，不足以作为太阳能、通讯等承重基座的结构件。且该专利中月壤混凝土的制备中需用到关键原料——水资源，在月面操作实施较难。
专利CN111185992A公开了一种用于月坑中月壤资源的3D打印设备，其利用菲涅尔透镜聚焦太阳光作为能源对月壤开采装置采集的月壤颗粒进行高温烧结，成形3D打印零部件。该套设备充分利用了月面原位资源进行3D打印成形，但不足之处在于：原材料为单一的月壤相，具有较大的脆性。且在聚焦的太阳能光束下加工具有极高的冷却速度，会显著增大月壤相的裂纹敏感性，影响3D打印零部件的正常使用，不适用于月面设施中的承重基座。
专利CN110039771A公开了一种面向月球表面的原位资源3D打印装置，其利用地面携带的特殊粘接剂对筛分后的月壤进行喷墨3D打印成形。该专利所述的特殊粘接剂的种类成分并未给出，且粘接剂仍旧需要地面携带，并不完全属于月面原位制造。
发明内容
针对现有月面原位制造方法难以实现月面高强度零部件的制造，或无法充分利用月面资源的不足的缺陷和改进需求，本发明提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置，其目的在于借助基于液滴成形的3D打印方式，将金属液滴与月壤进行粘接，形成高强度的金属基复合材料，其兼具了金属材料的韧性和月壤陶瓷材料的高模量高耐磨性等性能，在月面环境下获得高强度的零部件用于月面设施的建造，且使用的原材料均来自月面原位资源，适用于资源紧缺的月面制造以及未来月球基地的大型构件或承重结构的3D打印制造。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法，该方法包括：
熔化月面探测器废弃的着陆器中的金属以形成金属液滴；预置一层月壤颗粒；采用喷射金属液滴的方式对预置好的月壤颗粒进行液滴粘接；通过层层堆叠的方式3D打印成形高强度零部件。
月面探测器废弃的着陆器有益效果：本发明的所有材料均为月面原位资源，无需地面携带3D打印所需原材料；本发明采用金属作为粘接剂，能获得高强度的月壤/金属复合材料，能同时保证成形零部件的强度和塑性。
优选地，采用电磁感应加热方式熔化废弃着陆器中的金属。
有益效果：本发明采用感应加热对原材料金属进行加热熔化，属于熔炉熔化的方法，加热方便且效果好，能源利用率高，设备简单，对金属原材料的形状尺寸要求较低。
优选地，采用充气加压的方式将金属液滴挤出。
有益效果：本发明采用充气加压的方式将金属液滴挤出，充分利用了月面高真空环境的特点，只需充入较小的气压即可实现了金属液滴的滴落，既解决了月面低重力环境下液滴无法下落的问题，对成形性控制起来简单，能够获得均匀稳定的液滴流，以便较好的控制复合材料成型质量。
优选地，金属液滴直径不大于月壤颗粒平均粒径的3倍。
有益效果：满足该限定条件的金属液滴和月壤颗粒在液滴粘接过程受毛细力作用结合更充分，从而减少成形件中孔洞缺陷。
优选地，月壤颗粒的直径范围不大于2mm。
有益效果：根据复合材料强化理论，满足该限定条件的月壤颗粒，最终形成的零部件强度更高。
优选地，液滴粘接过程中金属液滴比例在15％～85％。
有益效果：满足该限定条件的金属液滴比例，一是液滴比例不少于15％能充分混合粘接月壤颗粒，保证结合强度，二是液滴比例不大于85％能保留月壤颗粒的增强效果，达到高强度零部件的成形。
优选地，月壤颗粒通过铺粉式或者送粉式预置。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印装置，该装置包括：控制组件、移动组件、固定在移动组件末端的液滴发生器和粉末预置装置；
控制组件，用于根据导入的零部件切片信息，控制移动组件移动和粉末预置装置预置月壤颗粒；
移动组件，用于在3D打印过程中移动液滴发生器；
液滴发生器包括：盛放月面探测器废弃的着陆器中的金属的容器、位于容器外围的加热部件、容器内部相连接的通气部件和温度传感器；
所述容器底部设有喷射口，用于在容器内气压增大时喷射出金属液滴，与月壤颗粒进行液滴粘接；
所述加热部件用于对容器中的金属进行加热熔化以形成金属液体；
所述温度传感器用于实时监测容器中金属液体的温度；
所述通气部件用于间歇性向容器内部冲入气体，增加容器内的气压；
所述粉末预置装置，用于在待成型平面预置一层月壤颗粒。
月面探测器废弃的着陆器优选地，通气部件包括电磁阀和通气孔，电磁阀用于控制通气孔的开断。
有益效果：本发明通过电磁阀控制精准获得不同液滴下落频率，能适用不同的工艺条件。
优选地，所述粉末预置装置采用铺粉或送粉方式。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明充分利用了月球表面的原位资源作为打印原材料，成形高强度的零部件，特别适用于月面基础设施中的承重结构如太阳能支座、通讯器支座等的生产制造；本发明采用了金属作为粘接剂，相比于单一的月壤烧结，金属粘接剂提高了打印零部件的强度和塑性。
附图说明
图1为本发明提供的一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法流程图；
图2为本发明提供的一种面向月面环境的高强度零部件3D打印装置结构示意图；
图3为本发明提供的液滴发生器结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法，该方法包括：
熔化月面探测器废弃的着陆器中的金属以形成金属液滴；采用喷射金属液滴的方式对这一层月壤颗粒进行液滴粘接；通过层层堆叠的方式3D打印成形高强度零部件。月壤颗粒的引入可以通过铺粉式或送粉式。
该发明所使用的原材料均来自月面原位资源，包括月壤和月面探测器废弃的着陆器。现有航天器中着陆器中金属材料主要是铝合金或钛合金。
优选地，采用电磁感应加热方式熔化废弃着陆器中的金属。
优选地，采用充气加压的方式将金属液滴挤出。
优选地，金属液滴直径不大于月壤颗粒平均粒径的3倍。
优选地，月壤颗粒的直径范围不大于2mm。
优选地，液滴粘接过程中金属液滴比例在15％～85％。
优选地，采用铺粉式或送粉式预置月壤颗粒。
本发明还提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印装置，该装置包括：控制组件、移动组件1、固定在移动组件末端的液滴发生器2和粉末预置装置；
控制组件，用于根据导入的零部件切片信息，控制移动组件移动和粉末预置装置预置月壤颗粒9。
移动组件，用于在3D打印过程中移动液滴发生器。
本实施例中移动组件1为多轴联动的机器人。喷射金属液滴的同时，基于待打印零部件的切片图形，多轴联动的机器人移动至指定位置。据此通过层层堆叠的方式获得最终的高强月壤/金属零部件。
液滴发生器2包括：盛放月面探测器废弃的着陆器中的金属的容器3、位于容器外围的加热部件8、容器内部相连接的通气部件4和温度传感器7。
所述容器底部设有喷射口，用于在容器内气压增大时喷射出金属液滴6，与月壤颗粒进行液滴粘接。
底部的喷射口被金属液体5填住，当从通气孔通入气体，腔体内部增压时，金属液体受到挤压才会从下面的喷射口挤出。
所述加热部件用于对容器中的金属进行加热熔化以形成金属液体。
本实施例中加热部件8为感应加热线圈，通过电磁效应对金属进行加热。
所述温度传感器7用于实时监测容器中金属液体的温度。
所述通气部件用于间歇性向容器内部冲入气体，增加容器内的气压。
由于月面为高真空环境，只需向通气孔冲入少量的气体，增加容器内部压力，即可将熔融的金属液体排出容器3，形成金属液滴6。连续的金属液滴对预置的月壤颗粒进行粘接成形。
优选地，通气部件包括电磁阀和通气孔，电磁阀用于控制通气孔的开断。
通气孔的进气量可以通过电磁阀来控制，通过电磁阀的间歇性开断，可以实现金属液滴以一定频率喷射。
所述粉末预置装置，用于在待成型平面预置月壤颗粒。
优选地，所述粉末预置装置采用铺粉式或送粉式。
优选地，容器内还包括搅拌部件，使得整个容器里金属熔化更充分。
实例一
S1：待3D打印零部件的图形准备，将三维图形以60μm的层厚进行切片，获得stl格式的切片文件，并导入3D打印设备控制系统，为机器人的运动提供依据；
S2：拆解机器人或航天员将废弃的月面探测器着陆器中的金属材料拆解，并将拆解的金属铝合金放入如图2所示的液滴发生器2的容器中；
S3：液滴发生器中的感应加热器将容器中的金属材料加热熔化，等待温度传感器探知容器中金属液体温度达到700℃；
S4：采用铺粉式粉末预置装置预先在待成型平面上铺置一层厚度为60μm的月壤颗粒。
S5：通过电磁阀控制如图3所示的通气孔的开断，间接控制容器3内的气压，获得均匀稳定的金属液滴6，使得金属液滴以10Hz的频率喷射。
S6：喷射液滴对月壤粉末粘接的同时，机器人根据待打印零部件的切片信息同步移动。完成该层的成形后，机器人末端的液滴发生器向上移动60μm，即一个层厚，再进行铺粉。依次完成：铺粉——液滴粘接——液滴发生器上移60μm。最终获得高强度的月壤/金属复合材料零部件。
实例二
S1：待3D打印零部件的图形准备，将三维图形以60μm的层厚进行切片，获得stl格式的切片文件，并导入3D打印设备控制系统，为机器人的运动提供依据；
S2：拆解机器人或航天员将废弃的月面探测器着陆器中的金属材料拆解，并将拆解的金属钛合金放入如图2所示的液滴发生器2的容器中；
S3：液滴发生器中的感应加热器将容器中的金属材料加热熔化，等待温度传感器探知容器中金属液体温度达到1700℃；
S4：采用铺粉式粉末预置装置预先在待成型平面上铺置一层厚度为60μm的月壤颗粒。
S5：通过电磁阀控制如图3所示的通气孔的开断，间接控制容器3内的气压，获得均匀稳定的金属液滴6，使得金属液滴以10Hz的频率喷射。
S6：喷射液滴对月壤粉末粘接的同时，机器人根据待打印零部件的切片信息同步移动。完成该层的成形后，机器人末端的液滴发生器向上移动60μm，即一个层厚，再进行铺粉。依次完成：铺粉——液滴粘接——液滴发生器上移60μm。最终获得高强度的月壤/金属复合材料零部件。
实例三
S1：待3D打印零部件的图形准备，将三维图形以60μm的层厚进行切片，获得stl格式的切片文件，并导入3D打印设备控制系统，为机器人的运动提供依据；
S2：拆解机器人或航天员将废弃的月面探测器着陆器中的金属材料拆解，并将拆解的金属铝合金放入如图2所示的液滴发生器2的容器中；
S3：液滴发生器中的感应加热器将容器中的金属材料加热熔化，等待温度传感器探知容器中金属液体温度达到700℃；
S4：采用旁轴送粉的方式
S5：通过电磁阀控制如图3所示的通气孔的开断，间接控制容器3内的气压，获得均匀稳定的金属液滴6，使得金属液滴以10Hz的频率喷射。喷射的同时采用旁轴送粉的方式喷射月壤颗粒。
S6：喷射液滴对月壤粉末粘接的同时，机器人根据待打印零部件的切片信息同步移动。完成该层的成形后，机器人末端的液滴发生器向上移动60μm，即一个层厚，再进行铺粉。依次完成：铺粉——液滴粘接——液滴发生器上移60μm。最终获得高强度的月壤/金属复合材料零部件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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